李嘉樂

（吉林大學，長春 130000）

引言

功率循環(huán)是車規(guī)級電力電子器件的重要可靠性考核試驗項目[1,2]，主要考核器件與鍵合線、基板的焊接以及材料熱匹配相關(guān)的可靠性。國內(nèi)對該試驗的標準化工作尚未完成，相關(guān)國際標準規(guī)定的試驗條件比較寬泛，如IEC 60747-9:2007[3]，這些標準中僅規(guī)定試驗過程中結(jié)溫變化量大于等于100 ℃。隨著半導體新材料、新工藝的持續(xù)發(fā)展，車規(guī)級二極管的焊接可靠性也得到了顯著提高，按照原有標準進行的功率循環(huán)試驗已經(jīng)很難達到暴露器件焊接缺陷的試驗目的。另一方面，功率循環(huán)試驗周期較長，在產(chǎn)品工藝提升過程中存在成本高、時效性差的缺點，其應用受到很大局限，需要對目前的試驗條件進行進一步研究。

功率循環(huán)作為一種已經(jīng)標準化的可靠性試驗方法，國內(nèi)外進行了大量研究。Thomas Hunger[4]等指出功率循環(huán)與被動熱循環(huán)（傳統(tǒng)功率循環(huán)）的一個主要區(qū)別是溫度分布不均勻。呂高[5]等研究了功率循環(huán)下IGBT模塊電熱參數(shù)的變化規(guī)律，得到了有關(guān)電熱特性參數(shù)的退化規(guī)律。曾丁軍[6]等通過仿真的方式研究了功率循環(huán)下IGBT的失效模式。蔣多暉[7]等也對功率循環(huán)的加速方法做過初步研究，以IGBT為對象進行了結(jié)溫變化量為60 K、80 K和100 K的功率循環(huán)試驗，證實了通過增加結(jié)溫變化量加速功率循環(huán)試驗的可行性，并得出經(jīng)典壽命預測模型可以擴展到100 K的結(jié)溫差的結(jié)論。

本文通過在標準功率循環(huán)試驗基礎上，設計步進應力功率循環(huán)試驗，逐漸增加試驗過程中的結(jié)溫變化量，定量研究提高功率循環(huán)試驗結(jié)溫控制條件的可行性，從而加速暴露缺陷，縮短試驗周期，研究其試驗參數(shù)的合理控制范圍。

1 試驗方案與系統(tǒng)

1.1 試驗方法和條件

功率循環(huán)試驗也被稱為間歇工作壽命試驗，在試驗時，通過直接加電方式使器件升溫，并控制加熱電流通斷循環(huán)，對器件施加間歇性的電熱應力。由于器件的熱功率集中在芯片上，在器件工作時結(jié)溫會高于殼溫，并自結(jié)到殼形成一定的溫度梯度。功率循環(huán)試驗中，由結(jié)到殼的溫度梯度循環(huán)變化，在電流開通的半周期內(nèi)（即Ton，見圖1），移除和關(guān)閉所有輔助散熱，對器件加電，使結(jié)溫快速升高，從而能滿足結(jié)溫的變化量要求，而殼溫變化量小于結(jié)溫，形成一定的溫度梯度。而在器件的關(guān)斷周期（即Toff），結(jié)溫在強制對流等輔助散熱手段下快速下降，逐漸降低到和殼溫相近的水平，并穩(wěn)定到環(huán)境溫度附近，原有的溫度梯度消失，如此往復循環(huán)。

圖1 功率循環(huán)中溫度與電流的時序圖

功率循環(huán)試驗的考核目的與一般的老煉試驗或穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗有所不同，因器件中各層材料之間熱膨脹系數(shù)和溫度變化情況不同，在承受周期性電熱應力時會產(chǎn)生周期性的界面剪切力，導致器件產(chǎn)生物理損傷。功率循環(huán)過程中器件的溫度梯度在逐漸變化，同時器件無法避免逐漸的積累疲勞老化效應，因此這種溫度變化規(guī)律也不夠穩(wěn)定。這些因素導致很難通過工藝設計實現(xiàn)材料間完美的熱匹配，需要依靠提高材料本身的物理結(jié)合的牢固性來提高可靠性。功率循環(huán)即主要考核此類與熱膨脹有關(guān)的材料粘合與焊接的可靠性，一般主要關(guān)注基板與相鄰材料之間的開裂損傷以及引線焊接牢固性等。

在有關(guān)國際標準中，功率循環(huán)試驗僅要求結(jié)溫變化量大于等于100 ℃，并不規(guī)定其他具體條件。在進行試驗時，需通過調(diào)節(jié)施加到被測器件兩端的正向電壓，控制其正向電流的大小和改變器件上的功率，實現(xiàn)規(guī)定的結(jié)溫變化量。一般規(guī)定的試驗周期為1000 h，本文先按照標準條件進行一組常規(guī)功率循環(huán)試驗，驗證樣品耐受功率循環(huán)試驗的能力。在此基礎上逐漸增加結(jié)溫變化量，每次增加10 ℃，每次試驗20 h，獲取器件的失效溫度，并分析其失效機理，從而確定通過增加結(jié)溫變化量實現(xiàn)試驗加速的可行性范圍。

因為功率循環(huán)試驗本身關(guān)注于與焊接松動、開裂及其他和熱效應導致的材料物理損傷，加速原則應保證在不改變失效機理的前提下縮短試驗周期，因此當器件發(fā)生燒毀這類極端失效時，應該判斷失效機理已經(jīng)改變，加速功率循環(huán)試驗時結(jié)溫控制條件應小于此時的結(jié)溫變化量，也就確定了合理的試驗加速條件范圍。

1.2 試驗系統(tǒng)

本文使用的功率循環(huán)試驗系統(tǒng)如圖2所示，系統(tǒng)使用工控機軟件執(zhí)行邏輯控制，直流穩(wěn)壓電源提供被測器件的功率電流和測試電流，通過兩個獨立的回路施加到被測器件。試驗中調(diào)試功率電流取值與器件輸出電流額定值、器件熱阻、試驗夾具熱沉等因素有關(guān)，試驗中以滿足器件結(jié)溫變化量的要求為準，需要估值試湊。測試電流用于結(jié)溫監(jiān)測，在該電流下測試器件內(nèi)部PN結(jié)正向壓降，通過K系數(shù)計算結(jié)溫，測試電流一般取經(jīng)驗值20 mA左右為宜,一般該取值下芯片溫升可以忽略不計，又能提供足夠的壓降值以滿足結(jié)溫的檢測精度。

圖2 功率循環(huán)試驗系統(tǒng)

測試電流在整個試驗過程中一直施加在被測器件上，作為結(jié)溫檢測信號并監(jiān)視硬件狀態(tài)，功率電路通過電子開關(guān)控制，間歇性施加在被測器件上，每個功率循環(huán)周期中開啟功率電流的時序為Ton，關(guān)斷的時序為Toff，通過變頻器控制交流異步風機在Toff工作，Ton不工作，使器件快速溫升快速冷卻，提高試驗效率。參數(shù)監(jiān)測主要檢測器件的壓降，確保器件的電參數(shù)和結(jié)溫滿足預定試驗狀態(tài)，功率電流壓降通過直流電源直接監(jiān)測，測試電流壓降通過同步采樣模數(shù)數(shù)據(jù)采集芯片監(jiān)測，最終反饋到工控機，進行顯示和存儲。

1.3 結(jié)溫測試中的K系數(shù)標定

結(jié)溫是功率循環(huán)試驗的核心試驗參數(shù)，結(jié)溫測試依據(jù)電學法熱阻測試的相關(guān)原理進行，二極管的正向電壓值會隨著結(jié)溫的變化而變化，并在一定條件范圍內(nèi)有近似線性關(guān)系，該器件正向電壓隨溫度變化的斜率即為K系數(shù)。試驗過程中通過預先測得的K系數(shù)與被測器件實時電參數(shù)計算結(jié)溫。

使用熱阻測試儀測試器件K系數(shù)，測試時使用強氣流沖擊系統(tǒng)進行環(huán)境溫度控制，測試電流與功率循環(huán)試驗中的測試電流保持一致，均為20 mA，測試溫度范圍為（25～110）℃。本文的試驗對象為某國產(chǎn)新型SiC二極管，取試驗樣品三只，測得該條件下正向電壓與溫度的關(guān)系曲線如圖3所示，使用SLOPE函數(shù)求得該圖線的斜率即為K系數(shù)。

圖3 飛機機身內(nèi)外部環(huán)境溫度分布圖

圖3 K系數(shù)測試結(jié)果曲線

由圖可見在該溫度范圍內(nèi)相關(guān)參數(shù)確為線性關(guān)系，求得的K系數(shù)具有適用性，且三只樣品的K系數(shù)十分接近，說明產(chǎn)品工藝一致性良好，取樣能夠代表試驗樣品K系數(shù)的整體水平。取其平均值作為試驗中所用K系數(shù)的值，得到K系數(shù)為-1.60 mV/℃，作為預置參數(shù)輸入試驗系統(tǒng)，標定結(jié)溫計算公式。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 △Tj≥100 ℃的功率循環(huán)試驗

首先按照國際標準規(guī)定進行△Tj≥100 ℃的功率循環(huán)試驗，原則上結(jié)溫變化量在滿足△Tj≥100 ℃的前提下以接近為宜，因為樣品間存在些許差異性，試驗中控制的結(jié)溫變化量在（100～110）℃之間。

樣品數(shù)量10只，試驗周期為1000 h，每小時約進行15個循環(huán)，在試驗開始前及168 h、500 h和1000 h時間節(jié)點處分別測試電參數(shù)。功率循環(huán)試驗引起的疲勞老化可能會引起器件正向或反向電特性的變化，結(jié)合器件本身的電特性參數(shù)測試條件，選取以下4個參數(shù)進行測試以觀測器件的退化：①正向電流為1 mA時的正向電壓（VF＠1mA）；②正向電流為10 A時的正向電壓（VF＠10A）；③反向電壓為650 V時的反向漏電流（IR）；④反向漏電流為50 μA時的擊穿電壓（VR）。

試驗前后的測試結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 正向電流為10 A時的正向電壓測試結(jié)果

圖5 擊穿電壓測試結(jié)果

全部10只樣品經(jīng)過標準規(guī)定的功率循環(huán)試驗，未發(fā)生失效。在參數(shù)退化角度，當器件發(fā)生老化時，正向電壓和反向漏電流應該升高，而擊穿電壓則可能會降低。從測試結(jié)果來看，樣品在正向電流為1 mA時的正向電壓先是略有降低，繼而略微升高，試驗初期的反常的趨勢可能與退火效應有關(guān)，或是因為此參數(shù)變化幅度較小而被測試誤差掩蓋，另外擊穿電壓整體上呈略微下降趨勢，其他兩個參數(shù)沒有出現(xiàn)易于觀測的退化趨勢。四個參數(shù)在試驗前后（試驗開始前和1000 h試驗結(jié)束后）變化量的百分比分別為0.16 %、-0.36 %、0.65 %和-0.54 %，變化量都非常小。

這些現(xiàn)象整體上驗證了之前所述，當前功率循環(huán)試驗的條件對于新型SiC二極管而言相對比較寬松，作為考核評價試驗時，新型高可靠性產(chǎn)品將容易通過，但無法達到暴露器件設計缺點的試驗目的，對工藝優(yōu)化難以提供直接幫助。

2.2 步進應力功率循環(huán)試驗

因為△Tj≥100 ℃功率循環(huán)試驗引起的該型號樣品退化程度比較輕微，為研究試驗的極限條件，另取4只同型號樣品，將結(jié)溫變化量從130 ℃開始，逐次增加10 ℃，樣品在不同結(jié)溫變化量條件下連續(xù)進行試驗，直到有樣品發(fā)生失效為止。每個結(jié)溫變化量條件下的試驗持續(xù)20 h，每小時約進行15個循環(huán)。

試驗前后的測試結(jié)果分別如圖6、圖7所示，圖中橫軸坐標為結(jié)溫變化量，最左側(cè)為試驗前的初測數(shù)據(jù)，為了方便顯示圖6使用了對數(shù)坐標。

圖6 步進應力時的VF（IF=10 A）測試結(jié)果

圖7 步進應力時的擊穿電壓測試結(jié)果

試驗進行到結(jié)溫變化量230 ℃時，其中一只樣品出現(xiàn)了失效，試驗終止。從測試數(shù)據(jù)來看，隨著結(jié)溫變化量的增加，在試驗后半段，各項參數(shù)都開始出現(xiàn)了更加明顯的退化趨勢。去除失效的一只樣品的數(shù)據(jù)，僅統(tǒng)計其余三只樣品的退化，整個試驗前后四項參數(shù)的變化量分別為1.81 %、2.51 %、42.51%和3.87 %。步進應力試驗共進行了11個溫度點，總試驗時間共計220 h，整體參數(shù)的變化幅度已經(jīng)明顯大于常規(guī)功率循環(huán)試驗，初步證明了通過提高結(jié)溫變化量來加速功率循環(huán)試驗的可行性。但器件反向擊穿電壓在190 ℃之前逐漸降低，符合常規(guī)功率循環(huán)試驗的趨勢，但在200 ℃后出現(xiàn)反常的升高趨勢，可能意味著器件的老化損傷的機理已經(jīng)開始改變，因此，對于該型SiC二極管器件而言，通過增加結(jié)溫變化量加速功率循環(huán)試驗的合理性范圍大概在190 ℃到200 ℃左右。

2.3 失效樣品分析

對失效的一只樣品進行分析，確認失效機理，尋找產(chǎn)品工藝設計的薄弱環(huán)節(jié)。

樣品的X射線檢查如圖8也可以觀察到鍍層融化后聚集產(chǎn)生的陰影，鍵合線和基板等結(jié)構(gòu)的鄰接關(guān)系未見明顯異常。將樣品開封并制樣研磨，用顯微鏡觀測，得到失效樣品的局部微觀圖，如圖9所示。失效器件的鍵合仍然牢固，鍵合剪切試驗也仍然合格，因此該器件的失效不是鍵合線的焊接疲勞引起的。

圖8 失效樣品的X射線圖

圖9 失效樣品的基板與鍍層結(jié)合處

另一方面，基板與相鄰材料間的結(jié)構(gòu)也基本正常，而基板與鍍層的微觀圖中，可見鍍層融化后，向高溫部位聚集，形成了疏松的金屬斑塊。鍍層斑塊主要聚集在芯片附近，因此器件失效是因為熱應力累積，導致芯片出現(xiàn)了熱應力損傷，最終發(fā)生了失效。這種失效模式已經(jīng)于功率循環(huán)試驗的設計目標不同，因此230℃的結(jié)溫變化量超出了功率試驗加速的合理性范圍。

3 結(jié)論

由于第三代半導體新材料、新工藝的發(fā)展，相關(guān)國際標準中規(guī)定的二極管功率循環(huán)試驗條件變得相對保守，無法達到暴露器件工藝設計缺陷的試驗目的。本文設計對功率循環(huán)的核心試驗條件——結(jié)溫變化量進行加嚴，以期加快退化過程，縮短試驗周期。首先開展了常規(guī)標準規(guī)定的功率循環(huán)試驗，在此基礎上每次將結(jié)溫變化量增加10 ℃，開展步進應力試驗，通過試驗過程中的電參數(shù)測試結(jié)果變化規(guī)律及失效分析結(jié)果，判斷合理的參數(shù)加嚴范圍。最終驗證了通過加嚴結(jié)溫變化量加速功率循環(huán)試驗是可行的，并確定本實驗所用產(chǎn)品的合理的加速條件，其上限大致為結(jié)溫變化量（190～200）℃左右，超出這一范圍失效機理將會發(fā)生改變，試驗同樣難以達到預定效果。